Определение основных параметров локализатора для имитационных испытаний дизельной установки судов с винтом регулируемого шага в насадке

Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение основных параметров локализатора для имитационных испытаний дизельной установки судов с винтом регулируемого шага в насадке

Г.С. Горянский

Излагается алгоритм определения основных параметров локализатора для имитационных испытаний дизельной установки судов, оборудованных ВРШ в насадке. Описание иллюстрируется примером решения указанной задачи для среднего рыболовного траулера.

гребная установка, главный двигатель, гребной винт, локализатор, имитационные испытания

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Локализатор относится к имитаторам, предназначенным для проведения всего цикла приемосдаточных испытаний дизельной установки (ДУ) судна у заводского причала, т.е. без выхода в море. Такие испытания получили название имитационных (или совмещенных). Дизельная установка включает в себя главный двигатель с обслуживающими и управляющими механизмами и устройствами, линию валопровода с упорным подшипником и гребной винт.

Все описываемые в руководящем документе [2] имитаторы обеспечивают в условиях швартовных испытаний вывод главного двигателя на номинальный режим работы. Однако только два из них: потоконаправляющая камера (ПНК) и потокогасительная камера (ПГК) защищают причалы и заводскую акваторию от струи гребного винта испытываемого судна. При этом лишь ПГК позволяет осуществлять на швартовах полноценные испытания не только главного двигателя, но и комплекса валопровод - гребной винт.

Недостатками ПГК, сдерживающими их широкое внедрение в промышленность, являются относительно большие размеры и металлоемкость: ширина камер и их осадка приблизительно равны одноименным характеристикам испытываемых судов, а длина составляет около четырех диаметров гребного винта.

Локализатор, как и потокогасительная камера, позволяет испытывать все узлы дизельной установки, но при этом свободен от отмеченных выше недостатков ПГК: его габаритные размеры близки к диаметру гребного винта испытываемого судна, а масса на два порядка меньше, чем у ПГК и ПНК.

В настоящей статье излагается алгоритм определения основных параметров локализатора для судов, оборудованных винтом регулируемого шага (ВРШ) в насадке. Определяемые величины необходимы для составления технического задания на проектирование локализатора. Описание иллюстрируется примером решения указанной задачи для среднего рыболовного траулера проекта 503.

ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ СХЕМЫ ЛОКАЛИЗАТОРА

Локализатор - это сверхмалогабаритная камера, представляющая собой соосную с винтом и закрытую с торцов трубу. Применительно к винту в насадке (рис.1) последняя 4 выполняет роль трубы, а сам локализатор вырождается в торцевые стенки 1 и 6 с тормозными элементами 2 и 7, соединенные между собой разъемными связями 3 и 5.

Рис. 1. Схема локализатора:

1 - задняя торцевая стенка; 2 - тормозной элемент; 3,5 - разъемные связи локализатора; 4 - насадка; 6 - передняя торцевая стенка; 7 - тормозной элемент; 8 - аэратор; 9 - гребной винт; 10 - линии тока расходного течения

В локализаторе, как и в любой камере, гребной винт работает в режиме насоса, обеспечивающего циркуляцию находящейся в камере жидкости по замкнутому контуру.

В нашем случае линии тока расходного течения лежат в меридиональных (продольно-радиальных) плоскостях, как это показано на рис.1. Одновременно частицы жидкости получают значительную закрутку относительно оси винта. Результирующие линии тока при этом лежат на соосных с винтом тороидальных поверхностях. В сходных условиях работает гребной винт в режиме обратной струи при реверсе судна.

За счет установки тормозных элементов (ребер) и соответствующего уменьшения закрутки потока обеспечивается, при необходимости, дополнительное нагружение гребного винта по крутящему моменту Q и упору Т.

Снижение загрузки гребного винта и главного дизеля по крутящему моменту, а также регулировка соотношения между параметрами Q и Т достигается, при необходимости, аэрацией рабочей жидкости в локализаторе за счет подачи в камеру по трубопроводу 8 (рис.1) атмосферного воздуха. Аэрация приводит к уменьшению величины Т?D/Q (D - диаметр винта).

Работа гребного винта в локализаторе сопровождается преобразованием подводимой к движителю механической энергии в тепловую энергию содержащейся в локализаторе воды. Для предотвращения недопустимого нагрева указанной жидкости в локализаторе организован постоянный обмен ее на свежую воду из внешней области. Такой обмен осуществляется через отверстия в торцевых стенках. При этом используется то обстоятельство, что давления на стенках внутри локализатора распределены неравномерно. Как показывают модельные эксперименты, принятая в рассматриваемом локализаторе система отверстий обеспечивает отвод тепла, при котором температура воды внутри камеры и вне ее оказывается практически одинаковой. При работе гребного винта в локализаторе, как и в эксплуатационных условиях, его упор Т передается на упорный подшипник, а крутящий момент Q - на главный двигатель. Развивающиеся в этом случае на конструкциях локализатора осевая сила RЛ и момент сил относительно оси вращения винта MЛ воспринимаются элементами крепления направляющей насадки к корпусу судна.

ФОРМУЛИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ К ЛОКАЛИЗАТОРУ ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ТРАУЛЕРА, ОБОРУДОВАННОГО ВИНТОМ РЕГУЛИРУЕМОГО ШАГА В НАСАДКЕ

Как отмечалось в п. 1, локализатор предназначен для обеспечения имитационных испытаний дизельной установки на всех спецификационных режимах, т.е. без выхода судна в море.

Требования к локализатору как к нагружателю ДУ изложены в стандарте [1] в виде перечня обязательных (спецификационных) режимов работы главного двигателя и ограничений по отклонению фактической мощности и частоты вращения двигателя от их спецификационных значений.

Перечень спецификационных испытательных режимов приведен в табл. 1 настоящей работы. Отклонение мощности на промежуточных режимах не должно быть более 5, а частоты вращения - 3%. На режимах номинальной и максимальной нагрузки отклонение мощности должно находиться в пределах до минус 5% от соответствующей нагрузки.

Таблица 1

*Только для дизельных установок головных судов.

**Только для судов ведомств, не поднадзорных Морскому Регистру России.

При составлении перечня спецификационных испытательных режимов работы главного двигателя в отчетной работе были приняты следующие уточнения и изменения в табл. 1.

В соответствии с требованиями документа [1] к судам, оборудованным винтами регулируемого шага, испытания должны проводиться по нагрузочной характеристике.

Режим заднего хода (строка 6 табл. 1) исключен из числа обязательных, хотя он может быть воспроизведен при использовании локализатора. Такое решение принято в связи с тем, что, как показала многолетняя практика испытаний судов в потокогасительных и потоконаправляющих камерах, его исключение из программы испытаний не снижает их качество и поэтому санкционировано всеми инспекциями Морского Регистра России, осуществляющими надзор за постройкой и ремонтом судов на заводах, использующих такие камеры. Поэтому можно ожидать, что режим заднего хода будет признан необязательным и при испытаниях судов с использованием разрабатываемого локализатора. Вместе с тем исключение заднего хода из программы испытаний позволяет существенно упростить конструкцию имитатора.

В перечень обязательных режимов включена работа ДУ на максимально возможном угле разворота лопастей в однофазной жидкости (без подачи воздуха в локализатор), при котором еще отсутствует перегрузка валогребной линии гребного винта и крепления насадки к корпусу судна.

Откорректированный описанным образом перечень испытательных режимов главного двигателя приведен в табл. 2, где стартовому режиму, соответствующему работе гребного винта в однофазной жидкости, присвоен № 1, а соответствующая ему эффективная мощность РSO в долях от номинальной мощности РSH обозначена SO.

Таблица 2

При формировании требований к локализатору было учтено то обстоятельство, что в ходе приемосдаточных испытаний дизельной установки должен быть проверен не только главный двигатель, но также валогребная линия и ВРШ, причем на работоспособность в наиболее тяжелых условиях эксплуатации. У судна с винтом в насадке такие условия обычно имеют место на режиме буксировке воза, близком к швартовному режиму. Поэтому в число обязательных требований к локализатору было включено условие, чтобы, как минимум, на основном испытательном режиме работы ДУ - номинальном режиме упор гребного винта Т был равен или близок к его максимальному значению на швартовых Тm :

локализатор траулер винт

Т? Тm. (1)

С целью обеспечения безопасности испытаний были введены два требования к локализатору:

- наибольший упор гребного винта при его работе в локализаторе не должен превышать максимальный упор насадки в эксплуатации на швартовном режиме ТDm и величину Тm:

Т? ТDm ; (2)

Т? Тm ; (3)

- скорость течений, вызванных работой гребного винта в локализаторе на грунте у причальной стенки и в фарватере, должна быть не более ее максимального значения, предписанного для заводской акватории соответствующим регламентирующим документом.

Выполнение требования (2) должно обеспечить целостность конструкций крепления насадки к корпусу судна, условия (3) - избежать перегрузки валогребной линии, а ограничения по скорости течения - предотвратить разрушение заводских причальных линий и защитить фарватер от обмеления.

Входящие в условия (1)-(3) максимальные эксплуатационные значения упора гребного винта Тm и направляющей насадки ТDm на швартовых определяются путем выполнения гидродинамического расчета комплекса «ВРШ - направляющая насадка» по его рабочим диаграммам.

Для СРТ проекта 503 указанные величины оказались равными

Тm=93 Кн; (4)

ТDm=102 кН. (5)

Таким образом, в соответствии с изложенными выше положениями технические характеристики локализатора для испытаний траулеров проекта 503 должны удовлетворять следующим требованиям:

- использование локализатора должно обеспечить работу главного двигателя на всех спецификационных испытательных режимах, приведенных в табл. 2;

- на номинальном режиме работы главного двигателя упор гребного винта Т в локализаторе должен удовлетворять условию:

Т?Тm=93 кН; (6)

- упор гребного винта в локализаторе Т на всех испытательных режимах не должен быть большим, чем одноименные номинальные характеристики направляющей насадки ТDm и гребного винта Тm на швартовых:

Т? ТDm=102 кН; (7)

Т? Тm=93 кН. (8)

Поскольку условие (8) в нашем случае является более жестким, чем требование (7), именно оно было принято в качестве расчетного.

Автору статьи не известны нормативные документы, устанавливающие требования к скорости (или мощности), отходящей от винта турбулентной струи при проведении швартовных испытаний или при движении судна по фарватеру. В настоящей работе принято условие, по которому мощность отходящего от локализатора потока не превышает 0,001 мощности струи того же гребного винта при проведении швартовных испытаний судна на номинальном режиме без использования локализатора. Под мощностью струи здесь понимается энергия жидкости, проходящей через живое сечение струи в единицу времени. Принятое предельно допустимое значение мощности потока многократно меньше мощности струи гребного винта судов, движущихся по фарватеру на максимально разрешенной по условиям безопасного мореплавания скорости хода.

РАЗРАБОТКА ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ЛОКАЛИЗАТОРА

Выбор геометрических характеристик локализатора.

В рассматриваемом случае направляющая насадка испытываемого судна является боковой поверхностью локализатора, и поэтому вариации его геометрии могут быть получены только за счет изменения торцевых стенок и тормозных элементов на них.

В результате выполненных в Калининградском государственном техническом университете поисковых экспериментов наилучшим был признан локализатор с плоскими торцевыми стенками, в котором тормозные элементы, выполненные в виде подкрепленных кницами радиальных ребер, располагаются на задней стенке. Его гидродинамическая схема приведена на рис. 2.

В рассматриваемом случае внутренний осевой размер камеры lл равен сумме длины насадки lD и высоты ребер h:

lл= lD+h; (9)

минимальный внутренний диаметр равен диаметру насадки DD, а максимальный диаметр DDЕ связан с величиной DD формулой

DDE= DD?б0,5, (10)

где б - коэффициент раствора насадки.

Рис. 2. Схема локализатора для испытаний СРТ пр. 503:

1 - задняя стенка; 2 - радиальное ребро; 3 - подкрепляющая кница ребра; 4 - насадка; 5 - ВРШ; 6 - передняя стенка

Специально выполненные опыты [5] показали, что в локализаторе могут быть достигнуты любые представляющие практический интерес нагружения главного двигателя по крутящему моменту и мощности. Однако при этом в локализаторе, заполненном однофазной жидкостью (водой), упор гребного винта Т обычно существенно превышает его предельно допустимое значение, определяемое условиями (2) и (3).

Для приведения отношения (Т·D/Q) к значению, соответствующему требованиям (2) и (3), может быть использована аэрация гребного винта. При относительно небольшой концентрации воздуха в подходящей к винту жидкости может быть достигнута значительная разгрузка гребного винта по упору и крутящему моменту. При этом упор снижается быстрее, чем момент, т.е. величина (Т·D/Q) c увеличением концентрации воздуха уменьшается [6] и может быть доведена до значения, при котором крутящий момент на винте соответствует заданной испытательной нагрузке, а упор удовлетворяет условиям (2) и (3). Принятая в проекте локализатора комбинация ребер должна обеспечить такую перегрузку ДУ по крутящему моменту, чтобы при её ликвидации путем аэрации воды в локализаторе упор гребного винта снижался до величины Т, удовлетворяющей условиям (2) и (3). У локализатора для испытаний СРТ требуе-мые значения параметров h и q оказались равными, соответственно, 0,1D и 6.

Определение требований к стыковочным зазорам между конструкци-ями локализатора и корпуса судна.

К названным стыковочным зазорам относятся щели между направляющей насадкой и торцевыми стенками и между передней стенкой и яблоком ахтерштевня, а также зазоры между отдельными элементами торцевых стенок локализатора.

Уменьшение размеров стыковочных зазоров сопровождается снижением требуемых расходов воздуха в системе аэрации локализатора и ослаблением интенсивности течений на акватории завода, вызванных работой гребного винта испытываемого судна. Поэтому размеры щелей целесообразно выбирать минимально возможными по конструктивным соображениям.

Решения по конструкции локализатора и, соответственно, по размерам стыковочных зазоров должны приниматься совместно проектантом и разработчиком гидродинамической схемы локализатора на стадии разработки конструкции имитатора.

Материалы, необходимые для выполнения такой работы в первом приближении, содержатся в [7] и [8].

Схема вывода дизельной установки на спецификационные режимы.

Описываемая ниже схема вывода дизельной установки на заданную мощность предполагает наличие у испытателя судна перечня спецификационных режимов работы ДУ и диаграммы, содержащей зависимость максимально допустимой мощности двигателя при испытании ДУ в локализаторе от угла перекладки лопастей ВРШ.

Испытания дизельной установки начинаются с вывода на режим №1 табл. 2. Как отмечалось выше, указанный режим может быть достигнут в локализаторе без аэрации гребного винта.

Переход на каждый последующий режим осуществляется путем увеличения угла разворота лопастей ВРШ бв с предварительной подачей воздуха в локализатор так, чтобы в каждый момент времени мощность двигателя не превышала ее максимально допустимое значение на соответствующем значении угла бв.

ВЫВОДЫ

Приведенные в статье материалы позволяют составить техническое задание на проектирование локализатора для проведения имитационных испытаний дизельной установки судна, оборудованного ВРШ в насадке. Они также могут быть использованы при выборе оптимального типа имитатора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 21792-89. Установки дизельные судовые. Приемка и методы испытаний на судне. - М., 1989. - 26 с.

2. РД5.4128-86. Установки главные судовые энергетические. Способы и устройства для испытаний в ходовых режимах без хода судна. - М., 1986. - 107 с.

3. Русецкий А.А. Гидродинамика винтов регулируемого шага. - Л.: Судостроение, 1968. - 214 с.

4. ОСТ 5.4129-75. Комплекс движительный гребной винт - направляющая насадка. Методика расчета и правила проектирования. - М., 1975. - 202 с.

5. Goriansky G.S. On the Result of Research Test of Propeller Operation in a Closed Tube //Transactions of the Second International Conference in Commemoration of the 300-th Anniversary of Creating Russian Fleet by Peter the Great and 290 Years of Admiralty Shipyards. St. Petersburg, 1994.- P. 115-121.

6. Goriansky G.S. On the Influence of Viscosity and Capillarity Forces to the Developed Artificial Cavitation of the Ship Propeller //Hydronav`95, Proceedings. Gdansk, Poland: Institute of Fluid Flow Machinery of the Polish Academy of Sciences, 1995 - P. 47-53.

7. Горянский Г.С. Особенности аэрации жидкости при работе гребного винта в закрытой трубе // Инновации в науке и образовании: V Mеждународная научная конференция - 2007: материалы / КГТУ.- Калининград, 2007. - C. 23-25.

8. Горянский Г.С. Способ оценки интенсивности течений на заводской акватории при испытании судна с использованием локализатора // Инновации в науке и образовании - 2008: VI Международная научная конференция: материалы / КГТУ.- Калининград, 2008. - С. 32-35.

Размещено на Allbest.ru